地铁车辆接地技术（共3篇）
地铁车辆接地技术 篇1
1 概述
随着轨道交通的大规模发展, 对车辆电气接地系统的可靠性要求日益提高。城轨车辆集高压、变频、网络通信于一体的系统设备, 内部采用变频变压逆变器VVVF调速、异步电动机驱动的交流传动系统和静止逆变器 (SIV) 等附带大量谐波的大功率设备, 采用微机对牵引、制动系统进行实时的控制及诊断, 并且安装有车载信号、无线通信和乘客信息等系统。为使车上的各种电气设备都能正常工作, 互不干扰, 保护乘客的身心健康, 向乘客提供优质服务, 必须将地铁车辆上的电气、电子设备进行接地。地铁车辆上的地是指相对零电位基准-车体。
2 接地系统构成
按照接地回路的布置, 分为回流接地和安全接地, 其中安全接地又包括设备外壳接地和屏蔽接地。
2.1 回流接地
即高压电源负端的回流, 通过接地回流装置与列车轨道相连。高压电源的负端首先通过导线经与车体绝缘的绝缘子相连, 然后通过接地导线与转向架构件相连, 再通过接地导线与轴端接地回流装置连接, 经列车轨道最终回到变电站高压负端, 从而形成高压回路。
2.2 安全接地
安全接地包括保护性接地和屏蔽接地。
2.3 保护性接地
所有导电的可触及到的车辆零部件, 如转向架、牵引电机、牵引设备箱、辅助供电模块箱等, 它们在故障状态下可能携带危险接触电压, 必须通过保护性接地以较低的电阻连接到车体上。
根据EN 50153, 在车体与固定式的保护性导体 (轨道) 之间, 必须存在至少两条保护性屏蔽接地路径作为车辆保护性屏蔽接地。这两条路径的布置和定尺必须保证一条路径故障时, 不会产生触电危险。两条路径应能够检查。
2.4 屏蔽接地
整列车的等电位连接有利于提高通信设备工作时的信噪比, 有效改善通信质量。车体等电位连接, 为有用信息提供了一个良好的参考面。如果接地体出现短路或雷击电流时, 屏蔽层两点接地的电缆两端电位不同, 屏蔽层内就有电流流过, 屏蔽层本身将形成一个很大的干扰源。因此整列车的等电位连接, 可防止两端接地的电缆屏蔽层过流, 使信号传输过程中不会出现干扰。
3 接地系统总体要求
以6编组4动2拖B型地铁为例
主电路图:
3.1 接地系统有如下要求:
功能接地可以使列车电气设备正常工作;保护接地可以确保人身安全;屏蔽接地可以提高电磁兼容性。图2为接地方案图
整列车的工作接地通过绝缘的汇流排回流, 然后被分配在轮对的运行接地触点上。汇流排安装在该车的车体底架上。如果可能, 与车轮接地触点的连接都应具有相同的长度。如果不能做到, 长度的不同必须通过选择合适的连接电缆横断面补偿, 到两个车轮接地触点的连接电阻实质上相等。
由于铝合金车体的电阻小于钢轨, 钢轨的杂散电流可能从Mp车转向架→Mp车车体→M1车车体→M1车转向架, 虽然不会损坏车体, 但动车的对地电流就较大, 直接影响到接地装置和转向架轴承的寿命。为了减小一个动车通过车体流向其他车的杂散电流, 在工作接地和保护接地间设置一个接地电阻Rb, 如图2中所示。
所有DC 110 V负极在Tc车底架蓄电池箱内与绝缘母排相连, 并通过图3所示的接地电阻Re与车体相连, 这样DC 110 V负极线相对车体呈高阻态, 防止了变电站的大电流从钢轨→Tc1车车轮/车体→电池负极→Tc2车车体/车轮→钢轨进行回流, 避免DC 110 V负极线发热。
整列车的车体的保护性接地是通过使整列车为一个等势体 (每辆车之间通过两根电线连接) , 由接地线通过接地电阻Rb接到绝缘汇流排。与轮轨之间保持等电位。
而对于每个列车单元而言, 为了防止重联时另一个单元回流通过其车体, 必须在每个Tc车车钩旁并联电阻Rec再连接到车体, 从而阻断两单元之间的杂散电流, 又能使车辆之间等电位, 如图2。
3.2 转向架要求
为确保没有电流经旁路从轨道流入车辆, 这些旁路被设计成与车体和转向架绝缘。因为保护和运行接地的低阻连接是通过车轮接地设施实现, 转向架绝缘轨道可以通过几欧姆电阻达到。
图形4转向架绝缘点分布原理图, 其中标出了绝缘部分的位置。
3.3 半永久车钩的要求
在车辆之间的半永久车钩相对车体是绝缘的。绝缘点的任务是通过等电位接地导体创建一个确定的电流通道。半永久车钩相对车体的保护接地通过两个等电位屏蔽接地导体实现。
4 接地系统特性要求
将回流的电路接地与保护接地分开;将高压电路接地与低压电路的接地分开;转向架地线就近接到接地端子台上;从接地端子台到各接地装置的回流线的阻抗尽量一致;车体接地点尽量设在车体中央;各车之间设均压线, 消除电位差, 并将各车低压负极线连在一起;车辆机电设备的外壳、机架等必须可靠地接车体地, 不能依赖于铰链等机械接触的手段接地, 否则会造成系统的不稳定。接地点处必须采用牢固的紧密接触, 如铜焊。若不同金属焊在一起时, 要防止化学原电池反应引起的腐蚀效应。若采用紧固接触, 必须保证接触面不涂油漆。
结语
城轨车辆的接地系统直接关系到车辆人身安全和车上设备的正常运转, 本文从接地概念到具体接地方案, 给出了地铁车辆接地的具体解决方案, 为整车电磁兼容设计提供了方法和思路。
参考文献
[1]程维.城轨车辆电磁兼容设计[J].技术与市场.2010.
[2]朱军.城轨车辆接地系统设计[J].车辆产品与零部.2009.
[3]EN50121, 铁路应用-电磁兼容.
[4]钟碧翠.地铁车辆接地技术分析[J].电力机车与城轨车辆, 2008.
[5]唐山B型地铁样车接地概念.
地铁车辆接地技术 篇2
北京14号线A型地铁车辆采用DC1500V直流供电系统,通过钢轨作为汇流排直接连至牵引变电站。通过牵引变电站-接触网-受电弓-车辆电气设备-轮对-轨道-地下汇流排-牵引变电站形成回路闭环。由于地铁车辆的结构特点决定了车辆设备内部布局十分密集,进而使得车辆内部的电磁环境变得更为复杂,考虑到抑制EMI(电磁干扰),须将地铁车辆上的电气、电子设备进行接“地”。合理解决车辆的接地问题是解决EMI问题最有效和最廉价的方法。地铁车辆与地面固定装置不同的是,车辆的“地”不是大地,而是相对零电势基准———车体。通过车体为地铁车辆电路系统提供一个等电位参考电势。
根据文献1,接地的方法主要分为3种:单点接地、多点接地和混合接地。
车辆的接地按其功能可分为保护接地、工作接地。
本文以北京14号线A型地铁车辆为例,对A型地铁车辆的接地技术进行分析、介绍。
一、接地的方法
1.单点接地:单点接地是为许多在一起的电路提供公共电势参考点的方法,即把整个电路系统中的一个结构点作为接地参考点,所有对地连接都接在这一点。工作频率低于1MHz经常采用单点接地。单点接地又可分为串联单点接地和并联单点接地。
2.多点接地:如下图1所示,从图中可以看出,设备内电路都以机壳为参考点,而各个设备的机壳又都以地为参考点。多点接地容易产生公共阻抗耦合问题。一般在工作频率高于10MHz时采用多点接地。由于接地线感抗与频率和长度成正比,工作频率高时会增加共地阻抗,增大电磁干扰,因此要求接地线尽量短,也就是常说的就近接地。
多点接地方式的基本方法是车体同时作为安全接地、等电势接地、回流地和屏蔽接地。它相对常规的单点接地而言对车辆更为简单、有效。
3.混合接地:混合接地结合了单点接地和多点接地的特性。如下图3所示。
三、保护接地
保护接地是为防止设备的金属外壳带电危及人身和设备安全而进行的接地。北京14号线A型地铁车辆上的保护接地主要从以下方面考虑。
(一)等电势连接
等电势连接是将分开的装置、导电体用等电位连接导体连接起来以减小电流产生的电位差，也可以称为安全接地。车辆组装的各导电单元，比如墙体、构架、梁、支架等,应在电气上以低阻抗、低电感互相连接,连接的表面尽量大且点尽量多。车体(包括墙体和顶)作为一个高效的等势导体。而每辆车车体间的连接线使每个车体之间等电势,进而确保整列车中所有可能故障带电及可能触及的导电体等电势连接。每辆车的车体和轴端接地碳刷连接可以保证电荷通过轮对泄放到钢轨上。
等电势连接有利于提高设备工作时的信噪比,有效的改善信号通信质量。车体的等电势连接可以使整个通信、信号系统接地阻抗减小,为有用信息提供统一优质的参考面。
(二)防触电
一般情况下，通过人体的感知电流在0.5mA，电流超过10mA就会有生命危险。地铁车辆电气设备工作电压多为DC1500V和AC380V。如果绝缘被损坏，设备外壳和地之间就有较高的电位差，当人触及设备及其外壳时，会导致较大的电流流过人体，造成人身伤害。因此，通过接地来消除这种危险是一种十分简单而有效的办法。
在14号线地铁车辆上设备及管线的保护接地线采用防腐蚀的圆锡铜绞线,这种接地线阻值小,韧性好,实际长度一般不超过500mm。以90mm[2]的绞线为例,其电阻不超过0.0015Ω,而人体电阻通常为2K～20MΩ,这样保证了箱体外壳与地等电势良好连接。在下图4中可以车下电气设备(牵引及辅助设备)均采用短而粗的接地绞线连接车体。
牵引辅助箱、电阻箱等均用接地座连接到车体上进行可靠接地,提供足够的EMI(电磁干扰)回路,释放掉积累在电气设备上的静电电荷。同时牵引箱、电器柜等设备内的电力电子器件是车辆EMC(电磁兼容)的主要干扰源,把这些箱体的金属外壳接地起到一个大的“屏蔽罩”的作用,减少了射频干扰。
(三)防雷
雷击电流可达30～300kA,功率可达到1亿伏特至10亿伏特,对地铁车辆的整个电气系统的安全产生巨大的威胁。在每个MP车的车顶上通过一个避雷器接地,一旦遇到雷击,雷击电流经过避雷器-车体-轮对,将雷击电流注入大地,防止雷击和过电压对设备及人身造成危害,做到有效保护。
三、工作接地
工作接地是车辆整个电气系统正常工作的必要条件,一方面为泄放电荷或建立基准点势提供回流通道,这是最主要的作用;另一方面在EMC设计中接地可以将噪声电流引入大地,减少干扰。正确的工作接地是抑制电磁噪声、防止电磁干扰的重要方法之一。
(一)回流
北京地铁14号线A型地铁车辆的配置为Tc-Mp-M1+M2-Mp-Tc,其中M1、M2、Mp车为动车。每辆车下均配置一个牵引辅助箱。高压直流电通过Mp车顶安装的受电弓引入,然后向牵引系统和各辅助系统供电。主回路接地电流分流到转向架、驱动装置、牵引电机轴承。为避免发生电蚀,阻止分流的措施包括采用在转向架、车体连接部位进行绝缘,进而使转向架构架和轴箱支撑装置或轴承和轴箱绝缘,使电流流向正规的接地回路。
在实际电路中工作地线最主要的作用是作为电源的回流线。如下图5中所示,Tc和M车的回流均通过绝缘电缆,经过接地汇流箱,流向轴端接地碳刷,再到钢轨。回流线使用截面积为95mm[2]的绝缘电缆,列车车端的连接处的地线采用截面积为120mm[2]电缆。电缆为镀锡铜丝绞合而成,导电性好。
(二)信号地
信号地也可以称为基准电势。它的作用是保证电路有一个统一的基准电位,不致于浮动而引起信号误差。在14号线A型地铁车辆上交流供电系统采用AC380V三相四线制,中线接地,这样保证辅助供电的三相系统中线对地电压不变,同时引出380V/220V电源。DC110V电流最终流回蓄电池负极,负极接地可以起到电势的参考作用。所有DC110V负极在底架接地。
(三)屏蔽接地
屏蔽接地包括电缆的屏蔽层接地、线槽/管的接地。
由于电路之间存在的寄生电容会相互干扰以及电路辐射、对外界电场敏感等,必须进行必要的隔离和屏蔽。在车辆配线中信号和控制线多采用屏蔽电缆,例如,牵引速度传感器、信号系统速度传感器等的电源和数据传输线、音频信号、数据传输线、以太网通信线、车载天线等均采用屏蔽电缆。屏蔽电缆是在金属电缆和绝缘胶皮之间有一层金属网线或铝箔。外界电磁辐射及磁场的大部分能量直接通过这层网线将感生电流引开,而对内层电缆产生的干扰极小甚至可以忽略。因此,电缆的屏蔽层必须接地才能起到屏蔽的作用。
根据文献1中提及的屏蔽接地试验测试结果,对于低频电路(f<1MHz),屏蔽电缆的屏蔽层通常是单端接地;对于高频电路(f>1MHz),通常是两端接地。由于高频集肤效应噪声电流只在屏蔽层外表面流动,两端接地的磁屏蔽作用被加强。这一点在文献2的3.9试验中也得到了的证实。
通过图6分析结果看,屏蔽线不接地的效果最差,双端接地比单端接地效果好,特别是在2MHz-10MHz不接地比接地要差6-18dB。
在14号线车辆上牵引电机电缆采用的是单芯屏蔽电缆,屏蔽层两端接地。电机电路在工作中电流可达到160A～240A,屏蔽层间有较大电流,转向架与车体间会产生较大的电势差,此时屏蔽层无法充当等电势导体。同时,屏蔽层也会遭受热应力并充当耦合路径的传导干扰。为保证列车的可靠性,电机电缆采用单芯屏蔽电缆,两端360°接地。图7为现车实例。
在14号线车辆上贯通的电缆敷设在金属线槽/管中,这样可以有效地隔离电磁干扰。
通过线槽/管的可靠接地,可以释放线槽/管的静电电荷,同时也可将电缆本身由于交变产生的干扰屏蔽在槽/管内,起到相当于“屏蔽罩”的作用,减少射频干扰。由于车辆下部设备电抗器、变压器工作电流变化较大,在设备周围产生直流磁场或100kHz以下的低频磁场。根据文献2的3.12项钢槽/管接地屏蔽试验结果:在9kHz-150kHz频段中钢管双端接地效果略优于单端接地和不接地;在150kHz-30MHz频段钢管双端接地效果明显好于单端接地和不接地,而单端接地和不接地之间的差别很小;在30MHz-1GHz频段的电场发射来看,整体上钢管双端接地效果好于单端接地,钢管单端接地效果又好于不接地。综合考虑,在14号线车辆上采用不锈钢线槽/管单端接地。
四、接地的安装要求
1.接地电连接表面应清洁平整、无油脂、无油漆、无脏物、无毛刺、无电镀层等影响正常接触的因素存在。接地点须没有油漆或电镀处理,否则将导致接触电阻过大。所有的连接应防震。
2.干净表面的区域应当大于接触表面的区域。
3.非相同材料的接地连接因为电化学效应可能引起问题,如果不可避免,必须进行监控。在上述情况下,必须采取涂打导电膏以防电蚀。
五、结语
地铁车辆作为强电和弱电集成的一体化系统,电磁环境日益复杂,尤其对信号和控制的要求越来越高;车辆接地为漏电电流、雷击电流、系统电磁干扰提供了接地通路,从而保证设备的正常工作和车辆的安全运行。同时,正确有效的接地是保证整车电磁干扰的一项重要指标。
本文主要以北京14号线A型地铁车辆为基础,结合在施工设计中的经验,对整车接地设计进行分析,为A型地铁车辆驰骋首都保驾护航。
参考文献
[1]沙斐.机电一体化系统的电磁兼容技术[M].北京:中国电力出版社,1999.
地铁车辆接地技术 篇3
一、无线传输技术与远程检测
1、GSM传输技术。
GSM是Global System for Mobile Communication的简称, 指全球移动通信系统, 在全球移动电话中广泛使用。GSM是2G移动电话系统, 以数字式为主要特点之一, 是网络进程标志之一。GSM主要应用于移动电话中, 其主要业务包括短信息及传统的数据传输等, 也是此前智能交通系统数据传输的主要技术。
2、GPRS传输技术。
GPRS是General Packet Radio Service的简称, 指通用分组无线业务, 是GSM技术与3G技术的过渡技术, 也称2.5G, 以提供分组形式的数据业务来辅助GSM用户。GPRS传输速度较GSM有提升, 能够达到100kbps之上, 它适用于连续、频繁、分散且量小的数据的传输, 具有低成本高效的特点。
3、远程监测技术。
出行一直在人们生活中占据着重要的位置, 随着科技进步, 生活水平的提高, 交通问题已成为当下热点问题, 而交通安全需要尤其关注。信息技术时代, 现代化技术层出不穷, 不断地应用于多个领域, 在地铁车辆等交通领域借助信息技术对其进行远程监测无疑成为保证其安全的有效方式之一, 而远程监控技术也成为当前多领域研究的热点内容之一。
二、无线传输技术在地铁车辆中的应用
无线传输技术在地铁车辆中的应用, 本文主要以GPRS无线传输技术、车-地GPRS无线监控传输系统为研究对象, 进行简要分析。车-地GPRS无线监控传输系统包括两部分, 即服务器和客户端, 前者即地面数据中心, 后者为车载无线系统。客户端的工作内容主要为收集与车辆运行相关的信息, 并将收集的信息进行处理, 而后传输至指定的服务器。服务器的工作内容则是对接受到的数据解密还原, 备份并执行后处理, 并根据使用需求, 自动生成图表等资料, 供相关人员参考使用, 以对地铁车辆运行情况实时监控, 有问题第一时间规避或解决。
1、系统硬件构成。
系统硬件主要由车辆管理系统、无线数据传输系统及中心服务器三大框架构成, 无线数据传输框架中又包括对传感器数据进行编码及TCP/IP封袋、指导GPRS向监控中心传输和接收数据的ARM, 发送、接收数据及短消息的GPRS, 以及传感器。服务器与无线数据传输系统之间由GPRS和Internet相连, 起到传输作用。
2、系统软件构成。
系统软件是车-地无线传输技术的核心内容, 以TCP/IP及无线数据传输系统为通信载体, 其通信流程多分为两个端口, 即服务器端与客户端。TCP通信链路由三个步骤建立, 其一, 客户机发一个TCP数据包 (SYN位设为1, seq设为1000) 至服务器, 以此代表请求连接。其二, 服务器接收数据包, 向客户端发一个TCP数据包 (ACK设为1, sak_seq设为1001, seq设为2000) , 代表响应上步请求。其三, 客户端收到服务器所传数据包, 向服务器发确认信息 (ACK设为, sak_seq设为1001, seq设为2001) , 于是连接建立。服务器则以固定IP地址和端口号的方式实现数据传输, 同时能够基于不同的要求对所需传输的数据进行较灵活的设置。服务器与无线网络的连接不受时间限制, 在其与地铁车辆无线系统连接成功之后即可通过完成设定的端口号接收数据, 以便后续对数据的处理、使用及维护等。
3、系统应用。
车-地无线传输系统的传输为实时传输, 且需要控制在一定的传输周期之内。传输方式应为互有响应, 即一个传输包传输完成之后才进行另一个数据包传输。传输系统第一时间将信息传输至服务器, 服务器应给予回复信息, 当3次以上无回应则被视为超时, 信息被缓存处理。
三、结束语
无线传输技术在地铁车辆中的应用, 以GPRS无线传输技术、车-地GPRS无线监控传输系统为例, 主要包括服务器和客户端两部分, 适用于城市化进程加剧、交通问题困扰的现代国家现状, 能够较为有效的规避风险、第一时间解决问题、使损耗最低化。无线传输技术已有所应用, 将在发展中更为成熟, 而将无线传输技术应用于对地铁车辆等交通的实施监控上也将成为今后交通监控的主要趋势。
摘要：随着信息技术的发展, 无线传输技术已应用于包括医学、农牧业等多个领域, 同时也应用于地铁车辆之中, 与人们的日常生活愈发密切。无线传输技术即无线数据传输技术, 以无线数传模块为载体, 对传输对象进行远程传输, 通常由包括数传电台及wifi的专网和包括GPRS, 3G, 4G的公网等设备实现。广泛应用于民用市场, 如电视遥控器的红外传输、无线视频的wifi传输等, 均属于无线传输。本文首先简要介绍无线传输技术, 然后对无线传输技术在地铁车辆中的应用进行研究。
关键词：无线传输,地铁车辆,应用研究
参考文献
[1]车聪聪, 李慧娟, 刘泰, 王峰超.无线传输技术在地铁车辆中的应用[J].铁路技术创新, 2014 (04) .